Вселенная извергается: природа Большого взрыва

Ричард Мюллер, профессор Калифорнийского университета в Беркли, собирает все достижения современной физики и предлагает читателям сложить из них пазл. Он рассказывает об открытиях Эйнштейна, о черных дырах, в которых, возможно, сосредоточена большая часть энтропии Вселенной, делится последними новостями из квантовой физики, а также исследует три модели движения времени. Indicator.Ru публикует отрывок из книги Мюллера «Сейчас. Физика времени» издательства «Манн, Иванов и Фербер».

Из небольшой искры возгорается величественное пламя.

Данте Алигьери

Это сигнал из первоздания.

Далеко позади что-то бормочут микроволны,

Испущенные первовеществом «илемом» в давнем прошлом

При трех градусах по Кельвину.

Они неразличимы в свете звезд.

С извинениями, Генри Лонгфелло

Замечательный результат модели Вселенной Леметра: она создает возможность обернуться назад во времени — назад, еще назад и еще. Я заглянул в прошлое на 14 миллиардов лет.

Вы обращаетесь в прошлое все время. Когда смотрите на человека, стоящего от вас в полутора метрах, видите его не сиюминутного: вы видите, каким он был 5 миллиардных долей секунды назад (столько надо свету, чтобы пролететь это расстояние). Поднимая взор на Луну, видите ее тоже не той, какая она сейчас, а какой была 1,3 секунды назад. Когда щуритесь на Солнце, видите, в каком оно было состоянии 8,3 минуты назад. Если Солнце вдруг взорвалось семь минут назад, то пока мы не имеем об этом ни малейшего представления.

Наиболее отдаленные и древние сигналы из космоса, которые удалось уловить, — космическое микроволновое (реликтовое) излучение. Это так называемые первичные сигналы. Мы верим, что они начали свое путешествие 14 миллиардов лет назад. И когда смотрим на них (с помощью микроволновой камеры), видим Вселенную того времени. Свет (микроволны — это низкочастотный свет) показывает, чтó существовало во Вселенной огромное время назад и на огромном удалении от нас. Этот свет путешествовал в космосе целых 14 миллиардов лет, чтобы достичь нас.

Чтобы заглянуть назад во времени, мы должны исходить из того, что отдаленная от нас на расстояние 14 миллиардов световых лет Вселенная была очень похожа на то, какой была тогда и ближайшая к нам ее часть. Как я уже говорил, этот постулат имеет свое название: космологический принцип. Согласно ему, Вселенная по своей природе гомогенна (как гомогенизированное молоко, с ровным составом по всему объему без сколько-нибудь заметных сгустков) и изотропна (нет направлений с особыми физическими свойствами, в ней отсутствует движение больших масштабов; например, Вселенная не вращается). Если не хотите, чтобы окружающие поняли вашу приверженность такому радикальному представлению, называйте его принципом. Космологический принцип звучит угрожающе. Но если бы вы назвали его моделью булки с изюмом, он не был бы таким убедительным. Совершенный космологический принцип еще более угрожающ. Он был придуман как расширение «обычного», но оказался ложным. Далее я это объясню.

Имеется достаточно доказательств того, что космологический принцип, в общем, верен — во всяком случае, для наших целей. Когда мы изучаем Вселенную, особенно ближнюю ее часть, то видим, что она очень походит на все происходящее в непосредственной близости от нас. Мы находимся в галактике Млечный Путь (все звезды на небе, которые вы можете видеть невооруженным глазом, входят в сгусток из многих сотен миллиардов звезд). Однако, скорее всего, за ее пределами существует огромное множество подобных галактик, которые уходят все дальше и дальше в космическое пространство. Выберите небольшой участок неба и, используя лучшие телескопы, попытайтесь сосчитать видимые галактики и экстраполировать результаты на те районы Вселенной, которые пока остаются неизученными. Таким образом можно прийти к выводу, что видимых галактик свыше сотни миллиардов. В большинстве из них звезд меньше, чем в нашем Млечном Пути.

Хотя во Вселенной имеется много сгустков галактик, они распределены в космическом пространстве повсюду, причем с примерно одинаковой плотностью. Мы с командой университета Беркли в 1970-е годы измеряли микроволновое излучение, приходящее из космоса, и выяснили, что Вселенная демонстрирует однородность с погрешностью в 0,1%, если рассматривать ее в очень больших масштабах. Недавние измерения спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) показали с точностью до 0,01%, что Вселенная однородна. Однако можно предполагать, что с повышением точности измерений ее неоднородность все-таки удастся уловить.

Огненный шар Большого взрыва

Самым убедительным доказательством Большого взрыва стало обнаружение реликтового (остаточного) микроволнового излучения. Если бы оно не было найдено, Большой взрыв назвали бы большой фальшивкой и связанную с ним теорию признали бы глубоко ошибочной. Ученые из Принстонского университета Роберт Дикке и Джеймс Пиблс начали активно изучать концепцию Большого взрыва в начале 1960-х годов. При условии, что гипотеза верна, микроволны должны быть доступны для наблюдения. Если физикам удастся обнаружить их, это открытие станет одним из величайших в ХХ веке, сравнимым с чудом открытия Хабблом расширения Вселенной. Ученые собрали команду, в которую, кроме них, вошли Дэйв Уилкинсон и Питер Ролл, и приступили к конструированию устройства, способного найти нужное доказательство.

Гипотеза ученых была достаточно простой — насколько может быть простой космологическая идея, основанная на теории относительности. Это было развитие первоначального тезиса о Большом взрыве, сформулированного Георгием Гамовым и Ральфом Алфером. В первичной Вселенной, когда космическое пространство было сжато в 30 триллионов раз плотнее, чем сейчас, наполнявшее его вещество (то, что мы видим сегодня в звездах и галактиках) было чрезвычайно плотным и горячим. Вся Вселенная была заполнена плазмой, такой же свирепой, как и та, что находится на поверхности Солнца. Она испускала очень интенсивный свет. Гамов и Алфер называли эту горячую протоплазму «илем».

Гамов утверждал, что на идише это слово означает «бульон». Однако я не нашел его в словаре идиша. Возможно, это какой-то диалект. Алфер писал, что это было давно забытое слово, которое можно было найти в толковом словаре Webster’s New International Dictionary и которое означает «первичную субстанцию, из которой были сформированы все вещи». Я не нашел «илем» в Webster’s Revised Unabridged Dictionary изданий 1828 и 1913 годов. Толковый словарь английского языка Oxford English Dictionary дает одну ссылку на поэму знаменитого средневекового английского философа и поэта Джона Гауэра Confession Amantis («Исповедь влюбленного»), III.91, в которой на средневековом английском сказано: «Всеобщая материя, которая называется "Илем", весьма особенная».

Возможно, это Гамов и Алфер превратили слово «илем» в новый термин, но известно, что названия «Большой взрыв» они не придумывали. Его автором стал Фред Хойл, видный астроном, который не верил в эту теорию и обозвал ее так, чтобы посмеяться. Видимо, к разочарованию Хойла, Гамов быстро подхватил это название и применил. Еще одним примером чувства юмора Гамова стало то, что при написании в соавторстве с Алфером крупной статьи о Большом взрыве он включил в число ее авторов известного физика Ганса Бете, хотя последний в подготовке статьи не участвовал, не давал разрешения на использование своего имени и даже не подозревал, что он соавтор, пока статья не была опубликована. Позднее Гамов объяснял это шуткой — не смог избежать соблазна назвать авторами статьи Алфера, Бете и Гамова, поскольку эта комбинация так напоминала три первые буквы греческого алфавита: альфу, бету и гамму. Эту работу до сих пор иногда упоминают по буквам: «Статья αβγ».

Гамов был известным популяризатором науки. Оглядываясь назад по мере написания этой работы, я вдруг понял, что его книга «Один, два, три… бесконечность», которую я читал еще подростком, в определенной степени воодушевила меня на написание «Сейчас». Я читал также и книгу Фреда Хойла Frontiers of Astronomy («Границы астрономии»), в которой автор отстаивал свою теорию «стабильного состояния», предложенную в качестве альтернативы Большому взрыву. Хойл утверждал, что расширение Вселенной — иллюзия, материя постоянно создается и разрушается, и Вселенная не меняется. (Будучи еще ребенком, я, конечно, не имел собственного мнения относительно того, кто из них прав).

Хойл разработал концепцию, которую он называл совершенным (идеальным) космологическим принципом, утверждавшим, что Вселенная не только однородна в пространстве, но и не меняется с течением времени. Теперь в ретроспективе я нахожу особенно интересным то, что для обоснования своей теории Хойл привлек методологический принцип бритвы Оккама, согласно которому простейшая идея и есть самая правильная (или что из всех возможных объяснений наиболее вероятно самое простое). Хойл использовал бритву Оккама, чтобы доказать: его гипотеза лучше теории Большого взрыва. Один важный урок, который мы можем вынести из этой истории: будьте осторожнее с научными принципами. Часто это лишь предположения, не всегда основывающиеся на фактах. Другой урок состоит в том, что соблюдение бритвы Оккама не всегда ведет к истине.

Когда Алфер и Гамов впервые предложили теорию Большого взрыва, еще не было возможности ни подтвердить, ни опровергнуть ее. Но Дикке и его команда нашли решение этой проблемы. По их вычислениям, через полмиллиона лет после Большого взрыва наступил ключевой момент: расширяющееся космическое пространство охладилось до такой степени, что плазма стала прозрачной. Тогда исключительно интенсивный свет, подобный свету Солнца, смог свободно проникнуть в пространство и начал в нем распространяться. Именно этот свет от праисторического огненного шара и хотели обнаружить ученые из Принстона. Они ожидали, что свет может исходить с разных направлений, потому что Большой взрыв был полностью однородным — в соответствии с космологическим принципом. Свет должен был пройти дистанцию в 14 миллиардов световых лет, достигнув нас через 14 миллиардов лет.

Вокруг нашего нынешнего места во Вселенной 14 миллиардов лет назад вещество тоже было сильно разогретым и светящимся, и этот свет уходил от нас в окружающее космическое пространство. Как раз примерно сейчас наш свет достигает самой отдаленной материи, свет которой, наоборот, достигает нас.

В связи с быстрым расширением Вселенной яркое свечение, испущенное так давно, претерпело цветовое смещение. Его источник, та самая далекая горячая материя, стремительно удалялся от нас, а ее свет претерпел допплеровское смещение (по нему радары, работающие на основе эффекта Допплера, определяют скорость вашего движения). В нашей системе отсчета это излучение должно иметь не частоту видимого света, а частоту микроволн, подобных тем, что генерируются в вашей микроволновке, только гораздо более слабых.

Когда Дикке, Пиблс, Ролл и Уилкинсон готовили аппаратуру для поисков первичного сигнала, двое исследователей из научно-технической лаборатории корпорации Bell Telephone Арно Пензиас и Роберт Уилсон направили на космос огромную и очень чувствительную антенну, способную улавливать слабейшие микроволны. Их целью было не обнаружение следов Большого взрыва. Наоборот, они ожидали, что не уловят никакого сигнала. Этим ученые хотели доказать, что все поступающее в их приемник — всего лишь собственный электронный шум их аппаратуры. Цель специалистов Bell Telephone состояла в минимизации этого шума.

Пензиас и Уилсон достигли на своем устройстве минимального уровня шума, равнявшегося 3 градусам по Кельвину (они измеряли шум по повышению температуры), но не смогли избавиться от него окончательно. Независимо от того, в какую точку небосвода они направляли свою антенну, аппаратура все равно показывала шум, соответствующий трем градусам по Кельвину. Исследователи пришли к заключению, что этот шум представляет собой некий сигнал, идущий из космоса. Однако они не имели ни малейшего представления о его природе, происхождении, причинах и т. д.

Действительно, казалось абсурдным, что до Земли доходит сигнал из космоса, однородный по всем направлениям. Во всяком случае, так казалось в то время. Нужно отдать должное Пензиасу и Уилсону: чтобы прийти к настолько невероятному заключению, они продемонстрировали непоколебимую уверенность в своей аппаратуре. Наверное, любые другие экспериментаторы, обнаружившие однородное и равнонаправленное излучение, должны были прийти к выводу, что оно исходит от их устройства.

Пока команда Принстонского университета готовила оборудование, Пиблс публично огласил ее предсказания. Одним из тех, кто слышал его лекцию, был Кен Тернер, который рассказал об этом Бернарду Бурке, а тот, в свою очередь, Арно Пензиасу. Последний позвонил Дикке. Его команда находилась в комнате по время этого разговора. «Нас обошли», — сказал Дикке коллегам.

Когда Пензиас и Уилсон опубликовали статью с отчетом об эксперименте, они никак не упомянули вопрос о Большом взрыве. Их статья имела совершенно нейтральное название: A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s [megacycles per second] («Измерения дополнительной температуры антенны при 4080 мегациклах в секунду»). Исследователи просто написали: «Возможным толкованием для дополнительной температуры шума может быть объяснение, данное Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в их совместной статье от 1965 года». Однако всего через год микроволновое излучение было признано определенным свидетельством того, что Вселенная произошла в результате взрыва. Таким образом, предвидение оправдалось. Были найдены следы Большого взрыва.

В связи с лекцией, прочитанной Пиблсом, и тем, что благодаря ей научная суть теории Большого взрыва достигла ушей Пензиаса, открытие микроволнового излучения было сделано Пензиасом и Уилсоном, а не принстонской командой, которая подтвердила его существование только спустя несколько месяцев. За свою работу Пензиас и Уилсон поделили Нобелевскую премию. Ученые из Принстона этой чести не удостоились, хотя снискали уважение коллег (в частности, мое). Награду следовало бы поделить между Пензиасом, Уилсоном, Дикке и Пиблсом, но статут Нобелевской премии запрещает ее присвоение более чем трем номинантам.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.